Устройство микроскопа. Принцип работы с микроскопом

Работа с микроскопом. Рассмотрим устройство типичного биологического микроскопа. Штативная подставка выполняется в виде тяжелой отливки, обычно подковообразной формы. К ней на шарнире прикреплен тубусодержатель, несущий все остальные части микроскопа. С помощью тубуса, в который вмонтированы линзовые системы, можно перемещать их относительно образца для фокусировки. На нижнем конце тубуса расположен объектив. Как правило, микроскоп снабжен несколькими объективами разного увеличения на револьверной головке, которая позволяет устанавливать их в рабочее положение на оптической оси. При исследовании образца оператор обычно начинает с объектива, который имеет наименьшее увеличение и наиболее широкое поле зрения, находит интересующие его детали, после чего рассматривает их, пользуясь объективом с большим увеличением. Окуляр вмонтирован в конец выдвижного держателя, при помощи которого можно при необходимости изменять длину тубуса. Передвигая вверх и вниз весь тубус с объективом и окуляром, микроскоп наводится на резкость.

В качестве образца обычно берется очень тонкий прозрачный слой или срез, который кладут на стеклянную пластинку прямоугольной формы, называемую предметным стеклом, а сверху накрывают более тонкой стеклянной пластинкой меньших размеров, которая называется покровным стеклом. Чтобы увеличить контраст, образец часто окрашивают химическими веществами. Предметное стекло кладут на предметный столик таким образом, чтобы образец находился над центральным отверстием столика. Столик, как правило, бывает снабжен механизмом для плавного и точного перемещения образца в поле зрения.  Третья система линз – конденсор – концентрирует свет на образце. Держатель конденсоров, которых может быть несколько, находится под предметным столиком. Здесь же расположена ирисовая диафрагма для регулировки апертуры.  Еще ниже находится осветительное зеркало, устанавливаемое в универсальном шарнире. За счет того, что зеркало отбрасывает свет лампы на образец оптическая система микроскопа и создает видимое изображение. Чтобы изображение формировалось на фотопленке, окуляр заменяется фотоприставкой.

микроскоп дает изображение, перевернутое относительно препарата.

Разрешающая способность

Характеристика важная, еще одна, отвечающая за качество и четкость изображения микроскопа — его разрешающая способность.

Она зависит от параметров объектива и конденсора, и рассчитывается путём деления длины световой волны на величину 2-х числовых апертур. Чем больше апертура, тем выше разрешение прибора.

Предел разрешения наступает при наименьшем расстоянии, когда ещё четко видны все точки. Наибольшее значение разрешающей способности для оптических микроскопов — 0,2 микрона.

Имеется также т. н. полезное увеличение микроскопа, когда наблюдение объекта ведется под предельным углом обзора.

Величина наибольшего полезного увеличения прямо связана с числовой апертурой объектива, которую увеличивают в 500-1000 раз.

Для сухих объективов числовая апертура бывает 1,0, при этом максимально полезное увеличение микроскопа — 1000х.

Для иммерсионных объективов числовая апертура бывает 1.25, значит, максимально полезное увеличение микроскопа будет 1250х.

Меньшее и большее увеличения микроскопа считают бесполезным, т.к. они не дают четкого изображения, а, напротив, делают его размытым и нечетким.

Метод фазового контрастаи его разновидность — т. н. метод «аноптрального» контрастапредназначены для получения изображений прозрачных и бесцветных объектов, невидимых при наблюдении по методу светлого поля. К таковым относятся, например, живые неокрашенные животные ткани. Суть метода в том, что даже при очень малых различиях в показателях преломления разных элементов препарата световая волна, проходящая через них, претерпевает разные изменения по фазе (приобретает т. н. фазовый рельеф). Не воспринимаемые непосредственно ни глазом, ни фотопластинкой, эти фазовые изменения с помощью специального оптического устройства преобразуются в изменения амплитуды световой волны, т. е. в изменения яркости («амплитудный рельеф»), которые уже различимы глазом или фиксируются на фоточувствительном слое. Иными словами, в получаемом видимом изображении распределение яркостей (амплитуд) воспроизводит фазовый рельеф. Получаемое таким образом изображение называется фазово-контрастным.

В основе метода ультрамикроскопии лежит тот же принцип – препараты в ультрамикроскопах освещаются перпендикулярно направлению наблюдения. При этом методе можно обнаружить (но не «наблюдать» в буквальном смысле слова) чрезвычайно мелкие частицы, размеры которых лежат далеко за пределами разрешающей способности наиболее сильных микроскопов. При помощи иммерсионных ультрамикроскопов удаётся зарегистрировать присутствие в препарате частиц с×частиц размером до 2×10 в -9 степени м. Но форму и точные размеры таких помощью этого метода определить невозможно. Их изображения представляются наблюдателю в виде дифракционных пятен, размеры которых зависят не от размеров и формы самих частиц, а от апертуры объектива и увеличения микроскопа. Так как подобные частицы рассеивают очень мало света, то для их освещения требуются чрезвычайно сильные источники света, например угольная электрическая дуга. Ультрамикроскопы применяются в основном в коллоидной химии.

Метод косого освещения - разновидность предыдущего метода. Отличие между ними состоит в том, что свет на объект направляют под большим углом к направлению наблюдения. Иногда это помогает выявить «рельефность» объекта за счёт образования теней.

Глава 3. Поляризация света

 

§ 1. Поперечность световой волны

 

    В соответствии с электромагнитной теорией Максвелла свет представляет собой электромагнитные волны.

    В электромагнитной волне происходит периодическое изменение (колебание) векторов напряженности электрического   и магнитного полей  :

;

  ,                                                                                                   (3.1)

где E₀ и H₀ – амплитудные значения векторов напряженностей   и  ;   = 2 – циклическая частота изменений во времени электрического и магнитного полей;   – волновое число (модуль волнового вектора), характеризующее изменение полей в пространстве; t и z – временная и пространственная координаты точки, в которой рассматривается световая волна.

    Направления колебаний электрического вектора   и магнитного   взаимно-перпендикулярны и перпендикулярны скорости распространения электромагнитной волны  . Взаимное расположение векторов  ,   и   изображено на рис. 3.1, схематически представляющем электромагнитную волну.

Колебания вектора   в этой волне происходят в плоскости XOZ (плоскость колебаний), колебания вектора   – в плоскости YOZ. Электрическое и магнитное поля изменяются синхронно, поэтому световую волну можно описывать только одним вектором   (часто его называют световым вектором), помня о наличии перпендикулярного ему вектора  .

    Волны, в которых колебание совершается в направлении, перпендикулярном их распространению, называют поперечными в отличие от продольных, в которых направление колебаний совпадает с направлением распространения волны. Электромагнитные волны поперечны. В поперечной волне задание направления распространения еще не определяет направления колебаний, так как направлений, перпендикулярных заданному, бесчисленное множество.

 

§ 2. Немонохроматический свет. Естественная поляризация

 

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Отдельный атом излучает квазимонохроматические волны, подобные изображенной на рис. 3.1. Световая волна, исходящая от светящегося тела, представляет собой наложение огромного количества таких волн, испускаемых отдельными атомами светящегося тела. Атомы излучают световые волны независимо друг от друга. Поэтому в естественной световой волне возможны световые колебания различных направлений, но перпендикулярных направлению распространения световой волны. Все эти направления колебаний равновероятны, и поэтому амплитуды колебаний вектора   в каждом направлении будут одинаковы.

В результате в естественном свете плоскость колебаний вектора   хаотически изменяет свое положение в пространстве. Волну естественного света по аналогии с (3.1) можно представить в виде

,

где E₀(t) – функция, учитывающая изменение направления и величины вектора   в плоскости ХОУ.

    Быстропеременный, хаотичный характер функции E₀(t) определяет естественный, неполяризованный свет. На рис. 3.2, а показана хаотичная ориентация вектора   в естественном свете.

    Таким образом, свет со всевозможными равновероятными направлениями колебаний вектора   называют естественно поляризованным (неполяризованным).